JP2016113335A - Ceramic conjugate, manufacturing method of adhesive for ceramic conjugation and manufacturing method of ceramic conjugate - Google Patents
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Abstract
Description
開示の実施形態は、セラミックス接合体、セラミックス接合用接着剤の製造方法およびセラミックス接合体の製造方法に関する。 Embodiments disclosed herein relate to a ceramic joined body, a method for producing an adhesive for ceramic joining, and a method for producing a ceramic joined body.
従来、窒化珪素や炭化珪素等のセラミックスで構成された2つの部材を複数種類のセラミックス粒子を含む接着剤を用いて接着させて接合体(セラミックス接合体)を作製する手法が提案されている(例えば特許文献1、2参照)。
Conventionally, a method has been proposed in which a bonded body (ceramic bonded body) is produced by bonding two members made of ceramics such as silicon nitride and silicon carbide using an adhesive containing a plurality of types of ceramic particles ( For example, see
しかしながら、上記したセラミックス接合体にあっては、耐熱衝撃性や熱膨張に対する安定性の点で改善の余地がある。 However, the ceramic joined body described above has room for improvement in terms of thermal shock resistance and stability against thermal expansion.
また、特許文献2では、接着用組成物として希土類元素を添加することが提案されている。しかしながら、希土類元素は高価であり、安価な接着方法が必要とされてきた。
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、耐熱衝撃性および熱膨張に対する安定性に優れたセラミックス接合体、セラミックス接合用接着剤の製造方法およびセラミックス接合体の製造方法を安価に提供することを目的とする。 One aspect of the embodiment is made in view of the above, and includes a ceramic joined body excellent in thermal shock resistance and stability against thermal expansion, a method for producing an adhesive for ceramic joining, and a method for producing a ceramic joined body. The purpose is to provide it at low cost.
実施形態の一態様に係るセラミックス接合体は、少なくとも一方がセラミックスである第1および第2の部材と、前記第1および第2の部材を接着する接着層とを備える。接着層は、20〜50質量%のシリカと、3〜25質量%のマグネシアと、残部に40質量%以上のアルミナとを含み、全体積に対し、1〜10体積%の気泡を内包する。 A ceramic joined body according to one aspect of the embodiment includes first and second members, at least one of which is ceramic, and an adhesive layer that adheres the first and second members. The adhesive layer contains 20 to 50% by mass of silica, 3 to 25% by mass of magnesia, and the balance contains 40% by mass or more of alumina, and contains 1 to 10% by volume of bubbles with respect to the total volume.
実施形態の一態様によれば、耐熱衝撃性および熱膨張に対する安定性に優れたセラミックス接合体、セラミックス接合用接着剤の製造方法およびセラミックス接合体の製造方法を安価に提供することができる。 According to one aspect of the embodiment, a ceramic joined body excellent in thermal shock resistance and stability against thermal expansion, a method for producing a ceramic joining adhesive, and a method for producing a ceramic joined body can be provided at low cost.
以下、添付図面を参照して、本願の開示するセラミックス接合体、セラミックス接合用接着剤の製造方法およびセラミックス接合体の製造方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of a ceramic joined body, a method for producing a ceramic joining adhesive, and a method for producing a ceramic joined body disclosed in the present application will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by embodiment shown below.
図1は、実施形態に係るセラミックス接合体の製造方法の概要を説明する説明図である。図1に示すように、実施形態に係るセラミックス接合体10は、第1の部材1と、第2の部材2と、第1の部材1および第2の部材2を接着する接着層5とを備える。
Drawing 1 is an explanatory view explaining the outline of the manufacturing method of the ceramic joined object concerning an embodiment. As shown in FIG. 1, the ceramic joined
実施形態に係るセラミックス接合体10において、第1および第2の部材1,2は、少なくとも一方がセラミックスで構成される。かかるセラミックスとしては、たとえば窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウムおよびアルミナなどを例示することができるが、これらに限定されない。また、第1および第2の部材1,2は、同じまたは異なる種類のセラミックスで構成することができる。
In the ceramic joined
また、第1の部材1および第2の部材2のうち、一方は、たとえば、金属であってもよい。具体的には、たとえば、ステンレス、チタン、チタン合金、銅、銅合金、ニッケル、モリブデン、タングステン等を第1の部材1および第2の部材2のうち一方として適用することができるが、これらに限定されない。
Further, one of the
また、接着層5は、アルミナと、シリカと、マグネシアとを含む。かかる接着層5は、接着剤(セラミックス接合用接着剤)3を加熱、融解してガラス化させて得られるものであり、さらに気泡4が内部に存在、すなわち気泡4を内包する。このように接着層5が気泡4を内包することにより、耐熱衝撃性および熱膨張に対する安定性に優れたセラミックス接合体10を作製することができる。なお、接着剤3の構成およびその作製方法については、図2を用いて後述する。
The adhesive layer 5 includes alumina, silica, and magnesia. The adhesive layer 5 is obtained by heating, melting, and vitrifying the adhesive (adhesive for ceramic bonding) 3, and the bubbles 4 are present inside, that is, enclose the bubbles 4. Thus, the
次に、接着層5についてさらに説明する。接着層5は、100質量%の接着層5に対し、40質量%以上、好ましくは40〜70質量%、さらに好ましくは45〜60質量%のアルミナを含む。アルミナの含有量が40質量%未満だと、接着層5に内包される気泡4の量が減少し、接着層5の熱膨張に伴う応力により接着層5、第1の部材1および第2の部材2のうち1または2以上に割れや歪みが発生し、密閉性が要求される部材に使用された場合にはリークが発生することがある。また、かかる割れや歪みによって耐熱衝撃性が低くなる。また、アルミナの含有量が70質量%を超えると、接着層5を構成するガラスの融点(または軟化点)が高くなり、接着が困難となることで接合強度が低くなる場合がある。
Next, the adhesive layer 5 will be further described. The adhesive layer 5 contains 40% by mass or more, preferably 40 to 70% by mass, and more preferably 45 to 60% by mass of alumina with respect to 100% by mass of the adhesive layer 5. When the content of alumina is less than 40% by mass, the amount of bubbles 4 included in the adhesive layer 5 decreases, and the adhesive layer 5, the
また、接着層5は、100質量%の接着層5に対し、20〜50質量%、好ましくは30〜45質量%のシリカを含む。シリカの含有量が20質量%未満だと、接着層5を構成するガラスの融点(または軟化点)が高くなり、接着が困難となることで接合強度が低くなる。また、シリカの含有量が50質量%を超えると、接着層5に内包される気泡4の量が減少し、接着層5の熱膨張に伴う応力により接着層5、第1の部材1および第2の部材2のうち1または2以上に割れや歪みが発生し、密閉性が要求される部材に使用された場合にはリークが発生することがある。また、かかる割れや歪みによって耐熱衝撃性が低くなる。
Further, the adhesive layer 5 contains 20 to 50% by mass, preferably 30 to 45% by mass of silica with respect to 100% by mass of the adhesive layer 5. When the content of silica is less than 20% by mass, the melting point (or softening point) of the glass constituting the adhesive layer 5 is increased, and bonding becomes difficult due to difficulty in bonding. When the silica content exceeds 50% by mass, the amount of bubbles 4 contained in the adhesive layer 5 decreases, and the adhesive layer 5, the
また、接着層5は、100質量%の接着層5に対し、3〜25質量%、好ましくは5〜20質量%のマグネシアを含む。マグネシアの配合量が3質量%未満だと、接着層5を構成するガラスの融点(または軟化点)が高くなり、接着が困難となることで接合強度が低くなる。また、マグネシアの配合量が25質量%を超えても、3質量%未満の場合と同様に、接着層5を構成するガラスの融点(または軟化点)が高くなり、接着が困難となることで接合強度が低くなる。 The adhesive layer 5 contains 3 to 25% by mass, preferably 5 to 20% by mass of magnesia with respect to 100% by mass of the adhesive layer 5. When the blending amount of magnesia is less than 3% by mass, the melting point (or softening point) of the glass constituting the adhesive layer 5 becomes high, and the bonding strength becomes low due to difficult adhesion. Moreover, even if the compounding quantity of magnesia exceeds 25 mass%, similarly to the case of less than 3 mass%, the melting point (or softening point) of the glass constituting the adhesive layer 5 becomes high and adhesion becomes difficult. Bonding strength is reduced.
また、接着層5は、好ましくはNa2O、Fe2O3、K2OおよびCaOのうち1または2以上を不純物として含む。具体的には、100質量%の接着層5に対し、好ましくは0.1〜5質量%、より好ましくは0.5〜3質量%の不純物を含む。かかる成分が接着層5から検出される程度に接着剤3が適度に不純物を含むと、接着剤3の融解温度が低下する。このため、セラミックス接合体10を作製する際の焼成温度を低下させることができ、たとえば焼成に伴う変形など、第1の部材1および第2の部材2に対する影響を低減させることが可能となる。
The adhesive layer 5 preferably contains one or more of Na 2 O, Fe 2 O 3 , K 2 O and CaO as impurities. Specifically, with respect to 100% by mass of the adhesive layer 5, it preferably contains 0.1 to 5% by mass, more preferably 0.5 to 3% by mass of impurities. If the adhesive 3 contains impurities to such an extent that such components can be detected from the adhesive layer 5, the melting temperature of the adhesive 3 decreases. For this reason, the firing temperature at the time of producing the ceramic joined
ここで、接着層5における「アルミナの含有量」とは、セラミックス接合体10を第1の部材1(または第2の部材2)と接着層5との接合面で切断した断面を研磨し、研磨した接着層5表面のEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)による定量分析に基づいて算出される。また、接着層5中のシリカ、マグネシア、Na2O、Fe2O3、K2OおよびCaOの含有量についても、上記した「アルミナの含有量」と同様に算出することができる。
Here, the “alumina content” in the adhesive layer 5 refers to polishing the cross section of the ceramic joined
さらに、接着層5は、接着層5の全体積に対し、1〜10体積%、好ましくは2〜5体積%の気泡4を内包する。接着層5に内包される気泡4の量が1体積%未満だと、接着層5の熱膨張に伴う応力により接着層5、第1の部材1および第2の部材2のうち1または2以上に割れや歪みが発生することで、密閉性が要求される部材に使用された場合にはリークが発生する。また、かかる割れや歪みによって耐熱衝撃性が低くなる。
Further, the adhesive layer 5 contains 1 to 10% by volume, preferably 2 to 5% by volume, of the bubbles 4 with respect to the total volume of the adhesive layer 5. If the amount of the bubbles 4 included in the adhesive layer 5 is less than 1% by volume, one or more of the adhesive layer 5, the
一方、接着層5に内包される気泡4の量が10体積%を超えると、接着層5の機械的強度が低下してしまい、セラミックス接合体10全体としての機械的強度が低下することがある。また、接着層5に内包される気泡4の量が10体積%を超えると、隣り合う気泡4同士が連通してしまい、接着層5による第1の部材1と第2の部材2との間の気密性が保てなくなる不具合も生じうる。
On the other hand, when the amount of the bubbles 4 included in the adhesive layer 5 exceeds 10% by volume, the mechanical strength of the adhesive layer 5 is lowered, and the mechanical strength of the ceramic joined
また、上記した気泡4の平均直径は、2〜20μmが好ましく、より好ましくは5〜10μmである。気泡4の平均直径が2μm未満であっても問題はないが、1〜10体積%の気泡4を均一に内包させた接着層5を作製することは困難であり、細かな気泡4が連結することで気密性を保つことができなかったり、機械的強度を低下させたりといったおそれがある。また、気泡4の平均直径が20μmを超えると、機械的強度が局所的に低下して実使用に適さないことがある。 Moreover, 2-20 micrometers is preferable and, as for the average diameter of above-mentioned bubble 4, More preferably, it is 5-10 micrometers. There is no problem even if the average diameter of the bubbles 4 is less than 2 μm, but it is difficult to produce the adhesive layer 5 in which 1 to 10% by volume of the bubbles 4 are uniformly included, and the fine bubbles 4 are connected. Therefore, there is a possibility that the airtightness cannot be maintained or the mechanical strength is lowered. On the other hand, if the average diameter of the bubbles 4 exceeds 20 μm, the mechanical strength may decrease locally and may not be suitable for actual use.
ここで、接着層5に内包される「気泡4の量」とは、セラミックス接合体10を第1の部材1(または第2の部材2)と接着層5との接合面で切断した断面を研磨し、研磨した接着層5表面のSEM(Scanning Electron Microscope)観察により気泡4として確認される領域の面積が単位面積あたりに占める割合をいう。また、「気泡4の平均直径」とは、上記でSEM観察された気泡4を円近似した際の直径分布に基づいて得られたメジアン径(d50)をいう。
Here, the “amount of bubbles 4” included in the adhesive layer 5 is a cross section obtained by cutting the ceramic joined
より具体的には、研磨した接着層5の表面をSEMにより200〜1000倍の倍率で拡大し、該視野中において気泡4の部分を識別した上で、識別された気泡4すべてを円で近似して、それらの直径を測定する。その操作を、気泡4が200個以上になるまで複数の視野で繰り返し、得られた気泡4の直径を統計的に処理して、メジアン径(d50)を決定した。また、使用した視野の面積に対する、円近似した気泡4の面積の積算値から、気泡4の面積率を計算した。接着層5に含まれる気泡4の体積率は、面積率と同じ数値となるので、計算された面積率を体積率とした。なお、同じ結果を得られるものであれば測定方法に制限はない。 More specifically, the surface of the polished adhesive layer 5 is magnified by a magnification of 200 to 1000 times by SEM, and after identifying the bubble 4 portion in the field of view, all the identified bubbles 4 are approximated by a circle. And measure their diameter. This operation was repeated in a plurality of fields until the number of bubbles 4 reached 200 or more, and the diameter of the obtained bubbles 4 was statistically processed to determine the median diameter (d50). Further, the area ratio of the bubbles 4 was calculated from the integrated value of the area of the bubbles 4 approximated to a circle with respect to the area of the visual field used. Since the volume ratio of the bubbles 4 included in the adhesive layer 5 is the same numerical value as the area ratio, the calculated area ratio is defined as the volume ratio. There is no limitation on the measurement method as long as the same result can be obtained.
また、実施形態に係るセラミックス接合体10の平均曲げ強度は、実用上30MPa以上であることが好ましい。セラミックス接合体10の平均曲げ強度が30MPa未満だと、たとえば使用時にハンドリング強度が不足し、破損等の不具合を生じることがある。ここで、「平均曲げ強度」は、JISR1601:2008に規定された3点曲げ試験に基づいて、常温(5〜35℃)で測定したものである。
Moreover, it is preferable that the average bending strength of the ceramic joined
また、セラミックス接合体10は、耐熱衝撃性が410℃以上であることが実用上好ましく、より好ましくは460℃以上である。ここで、「耐熱衝撃性」は、以下のようにして測定した値をいう。
Moreover, it is practically preferable that the ceramic bonded
まず、50mm平方×厚さ50mmの第1および第2の部材1,2を、厚さ1mmの接着層5を介して接合した試料を作製する。次に、同サイズの煉瓦質セッターの上に、四隅に配置した支柱を介してこの試料を配置し、電気炉にて高温加熱して1時間以上所望の温度に保持した後に、電気炉からすばやく取り出して室温の大気に晒し、肉眼にてサンプルの割れの有無を評価する。設定温度を200℃から600℃まで50℃ずつ昇温させながら順次評価を行い、割れの生じない温度の上限を「耐熱衝撃性」の値として規定する。なお、同じ結果を得られるものであれば評価方法に制限はない。
First, a sample is prepared by joining first and
次に、図1に示す接着剤3の構成およびその作製方法について、図2を用いて説明する。図2は、実施形態に係るセラミックス接合用接着剤の製造方法の概要を説明する説明図である。 Next, a configuration of the adhesive 3 shown in FIG. 1 and a manufacturing method thereof will be described with reference to FIGS. Drawing 2 is an explanatory view explaining an outline of a manufacturing method of an adhesive for ceramics joining concerning an embodiment.
図2に示すように、接着剤3は、アルミナ6と、シリカ7と、マグネシア源としての炭酸マグネシウム8とを含むセラミックス粒子を液状の分散媒9に分散させた懸濁体である。かかる接着剤3を、互いに向かい合うように配置された第1および第2の部材1,2で挟むように押圧し、第1および第2の部材1,2とともに焼成すると、気泡4を内包し、第1および第2の部材1,2を接着する接着層5を備えるセラミックス接合体10が作製される。
As shown in FIG. 2, the adhesive 3 is a suspension in which ceramic
ここで、接着剤3の焼成により気泡4を内包する接着層5が形成される点についてさらに説明する。すなわち、接着剤3を焼成すると、アルミナ6、シリカ7および炭酸マグネシウム8を含むセラミックス粒子が溶融する。セラミックス粒子が溶融した接着剤3を冷却すると、隣接するセラミックス同士がそれぞれ結合し、ガラス化した接着層5が生成されるとともに、かかる接着層5を介して第1および第2の部材1,2が接着されたセラミックス接合体10が作製される。
Here, the point that the adhesive layer 5 including the bubbles 4 is formed by baking the adhesive 3 will be further described. That is, when the adhesive 3 is fired, ceramic
また、接着剤3を焼成すると、炭酸マグネシウム8に由来する水および/または二酸化炭素が発生する。そして、炭酸マグネシウム8に由来する水および/または二酸化炭素の痕跡が気泡4となって接着層5に内包される。また、水および/または二酸化炭素が脱離した炭酸マグネシウム8は、マグネシア(MgO)として接着層5に含有される。 Further, when the adhesive 3 is baked, water and / or carbon dioxide derived from the magnesium carbonate 8 is generated. Then, traces of water and / or carbon dioxide derived from the magnesium carbonate 8 become bubbles 4 and are included in the adhesive layer 5. Further, the magnesium carbonate 8 from which water and / or carbon dioxide has been removed is contained in the adhesive layer 5 as magnesia (MgO).
実施形態に係るセラミックス接合体10の製造方法において、アルミナ6の平均粒径は50μm以下とすることが好ましく、より好ましくは1〜10μmである。アルミナ6の平均粒径が50μmを超えると、所望する接着層5の形状や大きさによってはアルミナ6の適切な焼成が困難な場合がある。ここで、「アルミナ6の平均粒径」とは、レーザ回折式粒度分布測定装置(湿式法)において、球相当径に換算した体積基準の粒度分布に基づいて得られたメジアン径(d50)を指す。また、後述するシリカ7や炭酸マグネシウム8等の平均粒径についても、アルミナ6の平均粒径と同様に測定することができる。なお、同じ結果を得られるものであれば、測定方法に制限はない。
In the method for manufacturing the ceramic joined
また、シリカ7の平均粒径は30μm以下とすることが好ましく、より好ましくは0.5〜8μmである。シリカ7の平均粒径が30μmを超えると、所望する接着層5の形状や大きさによってはシリカ7の適切な焼成が困難な場合がある。
Moreover, it is preferable that the average particle diameter of the
また、炭酸マグネシウム8の平均粒径は1〜30μmであり、好ましくは3〜10μmである。炭酸マグネシウム8の平均粒径が1μm未満だと、十分な大きさの気泡4が形成されない懸念がある。また、炭酸マグネシウム8の平均粒径が30μmを超えると、粗大化した気泡4が形成されることで機械的強度にばらつきが生じ、局所的に機械的強度が低下する懸念がある。 Moreover, the average particle diameter of the magnesium carbonate 8 is 1-30 micrometers, Preferably it is 3-10 micrometers. When the average particle diameter of the magnesium carbonate 8 is less than 1 μm, there is a concern that the sufficiently large bubbles 4 are not formed. Moreover, when the average particle diameter of the magnesium carbonate 8 exceeds 30 μm, the coarsened bubbles 4 are formed, so that the mechanical strength varies, and there is a concern that the mechanical strength is locally reduced.
また、接着剤3中の各成分の配合率は、所望する接着層5の組成を考慮して決定される。すなわち、接着層5を構成する各成分の組成が上記した適切な範囲から逸脱しないように各成分の配合率を設定することができる。 Further, the blending ratio of each component in the adhesive 3 is determined in consideration of the desired composition of the adhesive layer 5. That is, the blending ratio of each component can be set so that the composition of each component constituting the adhesive layer 5 does not deviate from the appropriate range described above.
ここで、「接着剤3中のアルミナ6の配合率」とは、接着剤3のうち分散媒9を除いた固形成分であるセラミックス粒子に対し、アルミナ6が占める質量割合のことであり、次のようにして算出される。すなわち、作製した接着剤3を乾燥し、粉末状にしたものをプレスして固め、蛍光X線による定量分析をすることで測定したアルミナ6の配合量に基づいて算出することができる。また、「シリカ7の配合率」、「炭酸マグネシム8の配合率」についても、上記した「アルミナ6の配合率」と同様に算出することができる。
Here, the “mixing ratio of the
また、アルミナ6、シリカ7および炭酸マグネシウム8を含むセラミックス粒子を分散させるための分散媒9としては、かかるセラミックス粒子を浸食せず、かつ揮発性が比較的高いものが適用される。具体的には、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、アセトン、酢酸エチルなどが挙げられるが、これらに限定されない。これらの分散媒9を単独で、あるいは複数種類混合したものにセラミックス粒子を分散させることにより、接着剤3を作製するための懸濁体とすることができる。
As the
ここで、アルミナ6、シリカ7および炭酸マグネシウム8を含むセラミックス粒子100質量%に対する分散媒9の割合としては、たとえば、5〜10質量%とすることができるが、セラミックス粒子の分散ならびに第1および/または第2の部材1,2に対する接着剤3の塗布が可能であれば制限はない。また、第1および/または第2の部材1,2に対する接着剤3の塗布を容易にするために、分散媒9の種類に応じた1または2種以上の分散剤を適量添加しても良い。
Here, the ratio of the
上記した実施形態では、マグネシア源として炭酸マグネシウム8を適用した例について説明したが、これに限らない。たとえば、シリカ粒子とマグネシア粒子とを質量比1:1で含み、湿式または乾式にて成形した成形体の焼成により得られるシリカ−マグネシア系焼成体を粉砕することで得られるシリカ−マグネシア系セラミックスを適用してもよい。かかるシリカ−マグネシア系焼成体およびシリカ−マグネシア系セラミックスは、MgSiO3および/またはMg2SiO4を含有する。 In the above-described embodiment, the example in which the magnesium carbonate 8 is applied as the magnesia source has been described, but the present invention is not limited thereto. For example, a silica-magnesia ceramic obtained by pulverizing a silica-magnesia fired body obtained by firing a molded body that includes silica particles and magnesia particles in a mass ratio of 1: 1 and is molded by a wet or dry method. You may apply. Such silica-magnesia-based fired bodies and silica-magnesia-based ceramics contain MgSiO 3 and / or Mg 2 SiO 4 .
また、炭酸マグネシウム8に代えてシリカ−マグネシア系セラミックスを適用する場合、分散媒9に分散させるシリカ−マグネシア系セラミックスの平均粒径は1〜30μmであり、好ましくは3〜10μmである。シリカ−マグネシア系セラミックスの平均粒径が1μm未満だと、十分な大きさの気泡4が形成されない懸念がある。また、シリカ−マグネシア系セラミックスの平均粒径が30μmを超えると、粗大化した気泡4が形成されることで機械的強度にばらつきが生じ、局所的に機械的強度が低下する懸念がある。
When silica-magnesia ceramics are applied instead of magnesium carbonate 8, the average particle size of the silica-magnesia ceramics dispersed in the
かかるシリカ−マグネシア系セラミックスは、接着層5におけるマグネシア源であるとともにシリカ源でもある。このため、かかるシリカ−マグネシア系セラミックスを適用する場合には、この点も考慮したうえで分散媒9に分散させるセラミックス粒子の量を適宜調整させるとよい。
Such a silica-magnesia ceramic is not only a magnesia source in the adhesive layer 5 but also a silica source. For this reason, when applying such a silica-magnesia ceramic, it is preferable to appropriately adjust the amount of ceramic particles dispersed in the
また、使用される接着剤3の硬さ(粘度)等に応じて、接着剤3を挟んだ第1および第2の部材1,2による加圧の程度が適宜調整される。さらに、第1および第2の部材1,2の材質や接着剤3の融解温度等に応じて、焼成温度、焼成時間および焼成雰囲気等が適宜調整される。これにより、所望する形状および特性を有するセラミックス接合体10が作製される。なお、焼成温度が1400℃未満だと、マグネシア源から気泡4が生成される反応が十分に起こらない場合があるため、焼成温度は1400℃以上が好ましい。
Further, the degree of pressurization by the first and
このように、実施形態に係るセラミックス接合体10の製造方法によれば、接着剤3に含まれるマグネシア源に基づいて気泡4が形成されることで耐熱衝撃性および熱膨張に対する安定性に優れたセラミックス接合体10が生成される。
Thus, according to the manufacturing method of the ceramic joined
次に、実施形態に係る接着剤3を製造する方法について、図3を用いて詳細に説明する。図3は、実施形態に係る接着剤3を製造する処理手順の一例を示すフローチャートである。 Next, a method for manufacturing the adhesive 3 according to the embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure for manufacturing the adhesive 3 according to the embodiment.
図3に示すように、まず、シリカ7と、マグネシア源であるマグネシアとを含むセラミックス粒子を混合し(ステップS11)、湿式および/または乾式にて成形体を生成する(ステップS12)。次に、ステップS12において生成した成形体を焼成し、MgSiO3および/またはMg2SiO4を含有するシリカ−マグネシア系焼成体を生成する(ステップS13)。
As shown in FIG. 3, first, ceramic
続いて、シリカ−マグネシア系焼成体を粉砕し、シリカ−マグネシア系セラミックスを作製する(ステップS14)。さらに、ステップS14にて得られたシリカ−マグネシア系セラミックスを、アルミナ6およびシリカ7とともに分散媒9中に分散させた懸濁体を調製する(ステップS15)。以上の各工程により、実施形態に係る一連の接着剤3の製造が終了する。なお、予め用意された炭酸マグネシウム8、MgSiO3またはMg2SiO4をマグネシア源として適用する場合には、ステップS11〜S14は省略することができる。
Subsequently, the silica-magnesia-based fired body is pulverized to produce silica-magnesia-based ceramics (step S14). Further, a suspension is prepared by dispersing the silica-magnesia ceramic obtained in step S14 in the
次に、実施形態に係るセラミックス接合体10を製造する方法について、図4を用いて詳細に説明する。図4は、実施形態に係るセラミックス接合体10を製造する処理手順を示すフローチャートである。
Next, a method for manufacturing the ceramic joined
図4に示すように、まず、アルミナ6と、シリカ7と、マグネシア源である炭酸マグネシウム8または図3に示すステップS14にて作成したシリカ−マグネシア系セラミックスとを含むセラミックス粒子を分散媒9に分散させた懸濁体を調製する(ステップS21)。次に、ステップS21において調製した懸濁体からなる接着剤3を刷毛または噴霧などの周知の方法により第1の部材1および/または第2の部材2の表面に塗布する(ステップS22)。
As shown in FIG. 4, first, ceramic
続いて、第1および第2の部材1,2により接着剤3を挟んで加圧し(ステップS23)、さらに焼成を行う(ステップS24)。以上の各工程により、実施形態に係る一連のセラミックス接合体10の製造が終了する。
Subsequently, pressure is applied with the adhesive 3 sandwiched between the first and
上記してきたように、実施形態に係るセラミックス接合体は、少なくとも一方がセラミックスである第1および第2の部材と、20〜50質量%のシリカと、3〜25質量%のマグネシアと、残部に40質量%以上のアルミナとを含み、全体積に対し、2〜10体積%の気泡を内包し、第1および第2の部材を接着する接着層と、を備える。 As described above, the ceramic joined body according to the embodiment includes the first and second members, at least one of which is ceramic, 20 to 50% by mass of silica, 3 to 25% by mass of magnesia, and the rest. An adhesive layer that contains 40% by mass or more of alumina, encloses 2 to 10% by volume of bubbles with respect to the total volume, and bonds the first and second members.
したがって、実施形態に係るセラミックス接合体によれば、耐熱衝撃性および熱膨張に対する安定性に優れたセラミックス接合体を提供することができる。 Therefore, according to the ceramic joined body according to the embodiment, a ceramic joined body excellent in thermal shock resistance and stability against thermal expansion can be provided.
なお、上記した実施形態では、互いに向かい合う第1および第2の部材1,2で接着剤3を挟んで加圧するとして説明したが、接着剤3に対して第1および第2の部材1,2をそれぞれ圧接させて接着剤3と第1および第2の部材1,2とを密に接触させればよく、第1および第2の部材1,2の配置に制限はない。
In the above-described embodiment, the first and
また、上記した実施形態では、接着剤3の塗布後、加圧し、次いで焼成するとして説明したが、焼成の前に必要に応じて分散媒9の乾燥を実施してもよい。
In the above-described embodiment, it has been described that the adhesive 3 is pressurized, then fired, and then fired. However, the
(実施例1)
アルミナ6(平均粒径2μm、純度99.5%)、シリカ7(平均粒径1μm、純度99.5%)および炭酸マグネシウム8(平均粒径6μm、純度99.5%)を質量比で50:37:13となるように秤量した。次いで、攪拌機を用いてこれらのセラミックス粒子を分散媒9としての脱イオン水(固形分100質量%に対して5質量%)に分散、懸濁させた接着剤3を得た。
Example 1
50 by mass ratio of alumina 6 (
この接着剤3を、予め用意した2つの板状の炭化珪素(第1および第2の部材1,2に対応)のうち一方の表面に刷毛を用いて塗布し、他方の表面を接着剤3の塗布面に重ねて圧接させた後、80℃、相対湿度60%の乾燥室に5h放置し、接着剤3中の分散媒9を乾燥させた。
The adhesive 3 is applied to one surface of two plate-shaped silicon carbides (corresponding to the first and
次いで、接着剤3を挟んだ2つの炭化珪素をプレス圧5000Paで加圧し、昇温速度300℃/h、最高温度1500℃にて大気中で4h焼成した。焼成終了後、自然冷却して、接着層5を備えるセラミックス接合体10を得た。得られた接着層5およびセラミックス接合体10の物性を表1に示す。なお、表1中、「リーク性」および「熱衝撃後のリーク性」の評価は、以下のようにして行った。
Next, two silicon carbides sandwiching the adhesive 3 were pressed at a press pressure of 5000 Pa, and baked in the atmosphere at a temperature rising rate of 300 ° C./h and a maximum temperature of 1500 ° C. for 4 h. After the completion of firing, the ceramic joined
[リーク性]
まず、外径20mm、内径16mm、長さ30mmの円筒形の炭化珪素を2つ(第1および第2の部材1,2に対応)用意した。次に、円筒形の炭化珪素の端面に接着剤3を塗布し、この接着剤3を挟むように重ねた2つの円筒形炭化珪素をプレス圧5000Paで加圧し、昇温速度300℃/h、最高温度1500℃にて大気中で4h焼成した。焼成終了後、自然冷却して、厚さ1mmの接着層5を備える円筒形テストピース(セラミックス接合体10に対応)を得た。
[Leakage]
First, two cylindrical silicon carbides having an outer diameter of 20 mm, an inner diameter of 16 mm, and a length of 30 mm (corresponding to the first and
円筒形テストピースの一端側の開口をゴム製の板材を用いて密封し、他端側には真空ポンプに接続したチューブを取り付けた。次いで、大気圧中にてゲージ圧で−90kPa以下となるように真空ポンプを作動させた状態でバルブを閉じ、4h放置した後に得られた圧力(真空度(単位:kPa))をリーク性の指標とした。 The opening at one end of the cylindrical test piece was sealed with a rubber plate, and a tube connected to a vacuum pump was attached to the other end. Next, the pressure (vacuum degree (unit: kPa)) obtained after closing the valve with the vacuum pump operated so that the gauge pressure is −90 kPa or less in the atmospheric pressure and leaving it for 4 hours is set to be leaky. It was used as an index.
[熱衝撃後のリーク性]
上記したリーク性の評価と同様のテストピースを作製し、耐熱衝撃性の測定により得られた温度に設定した炉内に1時間以上保持し、電気炉からすばやく取り出して室温に晒す熱衝撃を加えた後、上記したリーク性と同様の評価を行った。
[Leakage after thermal shock]
A test piece similar to the above-described evaluation of leakability is prepared, held in a furnace set to a temperature obtained by measuring thermal shock resistance for 1 hour or longer, and subjected to thermal shock that is quickly removed from the electric furnace and exposed to room temperature. After that, the same evaluation as the above-described leakage was performed.
(実施例2)
アルミナ6(平均粒径2μm、純度99.5%)、シリカ7(平均粒径1μm、純度99.5%)およびシリカ−マグネシア系セラミックス(平均粒径5μm)を質量比で50:30:20となるようにそれぞれ配合したことを除き、実施例1と同様の方法によりセラミックス接合体10を作製した。得られたセラミックス接合体10の物性を表1に示す。なお、シリカ−マグネシア系セラミックスは、以下のようにして作製した。
(Example 2)
Alumina 6 (
まず、50質量%のシリカ7(平均粒径1μm、純度99.5%)と50質量%のマグネシア(平均粒径1μm、純度99.5%)をこの質量比となるように秤量した。次いで、攪拌機を用いてこれらのセラミックス粒子を分散媒9としての脱イオン水(固形分100質量%に対して5質量%)に分散、懸濁させて懸濁体を得た。得られた懸濁体を乾燥させて粉砕し、次いでプレス圧30MPaでプレス成形して、板状の成形体を得た。この成形体を昇温速度300℃/h、最高温度1500℃にて大気中で4h焼成した。焼成終了後、自然冷却して得られたシリカ−マグネシア系焼成体を粉砕し、シリカ−マグネシア系セラミックスを得た。
First, 50% by mass of silica 7 (
(実施例3)
アルミナ6(平均粒径2μm、純度99.5%)、シリカ7(平均粒径1μm、純度99.5%)および実施例2と同様にして作製したシリカ−マグネシア系セラミックス(平均粒径2μm)を質量比で41:33:26となるように秤量した。次いで、攪拌機を用いてこれらのセラミックス粒子を分散媒9としての脱イオン水(固形分100質量%に対して5質量%)に分散し接着剤3を得た。次に、第1および第2の部材1,2を窒化珪素とし、最高温度1450℃、不活性雰囲気中で焼成したことを除き、実施例1と同様の方法によりセラミックス接合体10を作製した。得られたセラミックス接合体10の物性を表1に示す。
(Example 3)
Alumina 6 (
(実施例4)
アルミナ6(平均粒径2μm、純度99.5%)、シリカ7(平均粒径1μm、純度99.5%)および炭酸マグネシウム8(平均粒径25μm、純度99.9%)を質量比で57:26:17となるようにそれぞれ秤量した。次いで、攪拌機を用いてこれらのセラミックス粒子を分散媒9としての脱イオン水(固形分100質量%に対して5質量%)に分散し接着剤3を得た。次に、最高温度1530℃としたことを除き、実施例1と同様の方法によりセラミックス接合体10を作製した。得られたセラミックス接合体10の物性を表1に示す。
Example 4
Alumina 6 (
(実施例5)
アルミナ6(平均粒径5μm、純度99.9%)、シリカ7(平均粒径5μm、純度99.9%)およびシリカ−マグネシア系セラミックス(平均粒径8μm)を質量比で50:18:42となるようにそれぞれ配合したことを除き、実施例1と同様の方法によりセラミックス接合体10を作製した。得られたセラミックス接合体10の物性を表1に示す。なお、シリカ−マグネシア系セラミックスは、以下のようにして作製した。
(Example 5)
Alumina 6 (average particle size 5 μm, purity 99.9%), silica 7 (average particle size 5 μm, purity 99.9%) and silica-magnesia ceramic (average particle size 8 μm) in a mass ratio of 50:18:42 A ceramic joined
まず、50質量%のシリカ7(平均粒径1μm、純度99.9%)と50質量%のマグネシア(平均粒径1μm、純度99.9%)をこの質量比となるように秤量した。次いで、攪拌機を用いてこれらのセラミックス粒子を分散媒9としての脱イオン水(固形分100質量%に対して5質量%)に分散、懸濁させて懸濁体を得た。得られた懸濁体を乾燥させて粉砕し、次いでプレス圧30MPaでプレス成形して、板状の成形体を得た。この成形体を昇温速度300℃/h、最高温度1550℃にて大気中で4h焼成した。焼成終了後、自然冷却して得られたシリカ−マグネシア系焼成体を粉砕し、シリカ−マグネシア系セラミックスを得た。
First, 50% by mass of silica 7 (
(比較例1)
アルミナ6(平均粒径2μm、純度99.9%)、シリカ7(平均粒径1μm、純度99.9%)、マグネシア(平均粒径1μm、純度99.9%)およびイットリア(平均粒径1μm、純度99.9%)を質量比で32:45:13:10となるようにそれぞれ秤量した。次いで、攪拌機を用いてこれらのセラミックス粒子を分散媒9としての脱イオン水(固形分100質量%に対して5質量%)に分散し、焼成温度を変更したことを除き、実施例1と同様の方法によりセラミックス接合体10を作製した。焼成は、昇温速度300℃/h、最高温度1500℃にて大気中で4h行った。得られたセラミックス接合体10の物性を表1に示す。
(Comparative Example 1)
Alumina 6 (
(比較例2)
アルミナ6(平均粒径2μm、純度99.9%)および実施例5と同様にして作製したシリカ−マグネシア系セラミックス(平均粒径5μm)を質量比で70:30となるようにそれぞれ秤量した。次いで、攪拌機を用いてこれらのセラミックス粒子を分散媒9としての脱イオン水(固形分100質量%に対して5質量%)に分散したことを除き、実施例2と同様の方法によりセラミックス接合体10を作製した。得られたセラミックス接合体10の物性を表1に示す。
(Comparative Example 2)
Alumina 6 (
実施例1〜比較例2において得られたセラミックス接合体10の物性について、表1にまとめて示す。
Table 1 summarizes the physical properties of the ceramic joined
上記の結果から、実施例1〜5のセラミックス接合体10は、接着層5の全体積に対して、1〜10体積%の気泡4を内包している。これらのセラミックス接合体10はいずれも、耐熱衝撃性が410℃を超えており、従来材である比較例1や2に比べて、熱衝撃に対する安定性に優れる。また同時に、実施例1〜5のセラミックス接合体10は、いずれも30MPa以上の平均曲げ強度を有している。
From the above results, the ceramic joined
特に、Na2O、Fe2O3、K2OおよびCaOのうち1または2以上を不純物として含む実施例1〜4は、不純物を含まない実施例5に比較して、リーク性、熱衝撃後のリーク性および平均曲げ強度の点で優れている。 In particular, Examples 1 to 4 including one or more of Na 2 O, Fe 2 O 3 , K 2 O, and CaO as impurities are less leaky and have a thermal shock than Example 5 that does not include impurities. Excellent in terms of later leakage and average bending strength.
以上説明したように、実施形態に係るセラミックス接合体10および接着剤3は、高温で使用される部材や大きな熱衝撃が加わる部材への使用に適しており、特に密閉性を要求されるシール部分の接合や接着に適している。
As described above, the ceramic joined
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。 Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Thus, the broader aspects of the present invention are not limited to the specific details and representative embodiments shown and described above. Accordingly, various modifications can be made without departing from the spirit or scope of the general inventive concept as defined by the appended claims and their equivalents.
1 第1の部材
2 第2の部材
3 接着剤(セラミックス接合用接着剤)
4 気泡
5 接着層
6 アルミナ
7 シリカ
8 炭酸マグネシウム
9 分散媒
10 セラミックス接合体
DESCRIPTION OF
4 Air bubbles 5
Claims (14)
20〜50質量%のシリカと、3〜25質量%のマグネシアと、残部に40質量%以上のアルミナとを含み、全体積に対し、1〜10体積%の気泡を内包し、前記第1および第2の部材を接着する接着層と、
を備えること
を特徴とするセラミックス接合体。 First and second members, at least one of which is ceramic;
20 to 50% by mass of silica, 3 to 25% by mass of magnesia, and the balance of 40% by mass or more of alumina, containing 1 to 10% by volume of bubbles with respect to the total volume, An adhesive layer for adhering the second member;
A ceramic joined body comprising:
前記シリカ−マグネシア系焼成体を粉砕してシリカ−マグネシア系セラミックスを生成する粉砕工程と、
アルミナと前記シリカ−マグネシア系セラミックスとを含むセラミックス粒子を分散媒に分散させた懸濁体を生成する懸濁工程と、を含むこと
を特徴とするセラミックス接合用接着剤の製造方法。 A heating step of firing a molded body containing silica and magnesia to produce a silica-magnesia-based fired body;
Pulverizing the silica-magnesia sintered body to produce silica-magnesia ceramics;
A suspension step of producing a suspension in which ceramic particles containing alumina and the silica-magnesia ceramic are dispersed in a dispersion medium. A method for producing an adhesive for bonding ceramics.
少なくとも一方がセラミックスである第1および第2の部材を、前記接着剤を介して圧接させる圧接工程と、
前記接着剤を介して圧接させた前記第1および第2の部材を焼成して前記接着剤をガラス化させた接着層を生成し、前記第1および第2の部材を接合する接合工程と、を含み、
前記接着層が、20〜50質量%のシリカと、3〜25質量%のマグネシアと、残部に40質量%以上のアルミナとを含み、全体積に対し、1〜10体積%の気泡を内包すること
を特徴とするセラミックス接合体の製造方法。 A suspension step of preparing an adhesive comprising a suspension in which ceramic particles containing alumina and silica-magnesia ceramics are dispersed in a dispersion medium;
A pressure-contacting step in which at least one of the first and second members made of ceramics is pressure-contacted via the adhesive;
A bonding step in which the first and second members pressed through the adhesive are baked to produce an adhesive layer in which the adhesive is vitrified, and the first and second members are bonded; Including
The adhesive layer contains 20 to 50% by mass of silica, 3 to 25% by mass of magnesia, and the balance contains 40% by mass or more of alumina, and encloses 1 to 10% by volume of bubbles with respect to the total volume. A method for producing a ceramic joined body, comprising:
前記シリカ−マグネシア系焼成体を粉砕して前記シリカ−マグネシア系セラミックスを生成する粉砕工程と、をさらに含むこと
を特徴とする請求項9または10に記載のセラミックス接合体の製造方法。 A firing step of firing a molded body containing silica and magnesia to produce a silica-magnesia-based fired body;
The method for producing a ceramic joined body according to claim 9 or 10, further comprising a pulverizing step of pulverizing the silica-magnesia-based fired body to produce the silica-magnesia-based ceramic.
少なくとも一方がセラミックスである第1および第2の部材を、前記接着剤を介して圧接させる工程と、
前記接着剤を介して圧接させた前記第1および第2の部材を焼成して前記接着剤をガラス化させた接着層を生成し、前記第1および第2の部材を接合する接合工程と、を含み、
前記接着層が、40〜70質量%のアルミナと、20〜50質量%のシリカと、3〜25質量%のマグネシアとを含み、全体積に対し、2〜10体積%の気泡を内包すること
を特徴とするセラミックス接合体の製造方法。 A suspension step of preparing an adhesive made of a suspension in which ceramic particles containing alumina, silica, and magnesium carbonate are dispersed in a dispersion medium;
Pressure-contacting the first and second members, at least one of which is ceramic, via the adhesive;
A bonding step in which the first and second members pressed through the adhesive are baked to produce an adhesive layer in which the adhesive is vitrified, and the first and second members are bonded; Including
The adhesive layer contains 40 to 70% by mass of alumina, 20 to 50% by mass of silica, and 3 to 25% by mass of magnesia, and encloses 2 to 10% by volume of bubbles with respect to the total volume. A method for producing a ceramic joined body characterized by
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